电力电子技术(第2版)[王云亮][电子教案]第4章.ppt

第4章直流-直流变换器,主要内容：降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理；影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；几种不同变换器的开关利用率。,4.1简介,直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：1.降压直流-直流变换器(BuckConverter)2.升压直流-直流变换器(BoostConverter)3.降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-BoostConverter)4.丘克直流-直流变换器5.全桥式直流-直流变换器(FullBridgeConverter),4.2直流-直流变换器的控制,基本的直流-直流变换器和它的输出波形,开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为,改变负载端输出电压有2种调制方法：1开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。2开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。,在实际应用中，有如下问题：1实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载；2在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而图4-1的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。,图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。,采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fcfs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。,方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为第2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。,按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：直流-直流变换器有两种不同的工作模式：1.电感电流连续模式2.电感电流断续模式在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。,4.3降压变换器,降压变换器电路原理图,4.3.1电流连续模式时的工作情况,在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo。这个电压引起电感电流iL的线性增加；当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电势，使二极管导通，iL经二极管继续流动，uL=-Uo，电感电流下降。输出电压(4-5)因此，在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。,降压变换器工作过程演示,忽略电路所有元件的能量损耗，则因此,故有(4-6)因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。由式(4-6)有，输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。,4.3.2电流连续和断续模式的边界,图4-6给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。,由图4-5(a)和图4-6(a)中的电感电流波形可得因此，在所给的条件下，如果输出电流平均值Io比式(4-7)所给的IoB小，则工作在电流断续模式下。图中给出了临界电流与占空比的关系。,4.3.3电流断续模式时的工作情况,在直流电机速度控制系统中，输入电压Ud基本上是不变的，需要改变输出电压Uo，从而改变电机速度。在直流可调电源的应用中，输入电压Ud可能是变化的，但输出电压Uo保持不变。在电流断续模式下，输出电压表达式分为两种不同情况：Ud为常数时输出电压表达式Uo为常数时输出电压表达式,1.Ud为常数时输出电压表达式在电流临界连续模式在D=0.5时所需要的电感电流最大，为则在Ud为常数时输出电压表达式为右图表示了输入电压不变时，不同占空比D时，输出电压与电流比的关系。,2.Uo为常数时输出电压表达式在电流临界连续模式在D=0时所需要的电感电流最大，为则在Uo为常数时输出电压表达式为右图表示了输出电压不变时，占空比D与电流比的关系。,4.3.4输出电压纹波,在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。电压纹波的峰-峰值Uo为:(4-24)式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fcust，VTB+和VTA-断开，VTA+和VTB-导通；uco0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Ioust，则关断VTA-，触发VTA+如果ucoust，则关断VTB-，触发VTB+如果-uco0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Io0时，平均功率从输出Uo向输入Ud传递。如果两种控制方式的开关频率相同，则由于单极性脉宽调制控制方式的输出电压波形的频率是双极性脉宽调制控制方式的2倍，因此前者有着较好的频率响应和较小的输出电压纹波。,(a)双极性控制方式：输出电压纹波为：(4-74)(b)单极性控制方式：输出电压纹波为：(4-77)图4-28中给出了在双、单极性控制方式下输出电压纹波Ur,rms/Ud与占空比D的函数关系曲线。由图可见，单极性控制方式有着较小的输出电压纹波。,输出电压纹波Ur，rms与输出电压Uo的函数关系曲线,4.7直流-直流变换器的比较,不同的直流-直流变换器的开关利用率,从图4-29可以看出，升压变换器和降压变换器的开关利用率比较高，复合型变换器和全桥式变换器的开关利用率很低。因此，从变换器的开关利用率考虑，通常采用升压变换器或降压变换器。只有在要求输出电压在比输入电压高和低的范围调节，或者要求有负的输出电压时，考虑采用复合型变换器。只有要求变换器必须在四个象限运行时，才使用全桥式直流-直流变换器。,4.8直流开关电源的应用,直流-直流变换器主要应用在可调的直流电源和电机驱动系统中。在直流电机驱动系统中，一般不加隔离变压器，因此前几节介绍的几种主要直流-直流变换器可以直接应用在电机驱动系统中；而开关模式直流电源通常需要加入隔离变压器，直流开关电源常常需要满足下面的要求：1当输入电压和负载变化时，输出电压必须能在容差范围内保持不变或输出电压可调。2输出与输入之间需要电气隔离。3某些场合可能要求有多路输出电压，有些场合要求各输出间也要电气隔离。,4.8.1带有电气隔离的直流-直流变换器,输入交流电经二极管整流器整流成不可调的直流电压。在输入处用了一个抑制电磁干扰的滤波器来避免电磁干扰。直流-直流变换器把固定的直流电经脉宽调制变换成高频脉冲电压，然后通过隔离变压器副边的整流和滤波电路得到直流电压Uo。由PWM控制器驱动直流-直流变换器的开关管，通过反馈控制得到要求的直流输出电压。反馈控制电路的电气隔离可以通过变压器也可以用光电耦合器实现。,直流开关电源的组成框图,1.反激变换器反激变换器是由降压-升压复合型变换器推演得到的，降压-升压复合型变换器电路如图4-38(a)所示。用变压器代替电感线圈，采用图4-38(b)所示的电路，就可以实现电气隔离